Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
171 
6.  POTENTIAL FOR HUMAN EXPOSURE 
al. 2006).  Oxidation states (III)–(VII) can be prepared and stabilized in solution under appropriate 
conditions.  The lower oxidation states (III and IV) are more stable under acid conditions; the higher 
oxidation states (VI and VII) are more stable under alkaline conditions.  Pu(IV) is the most stable and 
most studied oxidation state, followed by (III) and (VI).  Pu(V) and Pu(VI) cations are strong Lewis acids 
and hydrolyze in solution to form trans dioxo cations, PuO
2
+
 and PuO
2
2+
, which are commonly referred to 
as plutonyl ions.  The reduction potentials that couple the four most common oxidation states of 
plutonium (III, IV, V, VI) in acidic solution are very close in magnitude and are close to 1 volt vs. the 
standard hydrogen electrode.  In addition the kinetics oxidation-reduction reactions between these 
oxidation states are such that multiple oxidation states of plutonium can exist in aqueous solution under 
appropriate conditions (Clark et al. 2006; EPA 2006b). 
The important chemical transformation process in surface water is the oxidation or reduction of 
plutonium.  In waters with low suspended solids, plutonium is generally found in oxidized forms, 
dissolved in the water.  In waters with high suspended solids, plutonium is generally reduced and sorbed 
onto either suspended solids or sediments (DOE 1987a, 1987h; Higgo and Rees 1986). 
Plutonium behaves differently than many other inorganic elements in that it can exist simultaneously in 
four oxidation states over a range of pH values.  Under acidic conditions, the nature of the complexing 
ligands present in solution will influence the oxidation state of plutonium.  The presence of fulvic acid (a 
naturally occurring organic acid) facilitates the reduction of plutonium(IV) to plutonium(III), especially 
below pH 3.1.  The reduction of the higher oxidation states appears to be even less dependent on pH, 
especially below pH 6 (IAEA 1976d). 
6.3.2.3   Sediment and Soil 
Plutonium found in soils may undergo the same oxidation/reduction reactions described for surface 
waters in places where soil contacts water.  In addition to oxidation/reduction reactions, plutonium can 
react with other ions in soil to form complexes.  These complexes may then be absorbed by roots and 
move within plants; however, the relative uptake by plants is low.  In plants, the complex can be degraded 
but the elemental plutonium will remain. 
6.4   LEVELS MONITORED OR ESTIMATED IN THE ENVIRONMENT 
Reliable evaluation of the potential for human exposure to plutonium depends in part on the reliability of 
supporting analytical data from environmental samples and biological specimens.  Concentrations of 

---

PLUTONIUM 
172 
6.  POTENTIAL FOR HUMAN EXPOSURE 
plutonium in unpolluted atmospheres and in pristine surface waters are often so low as to be near the 
limits of current analytical methods.  In reviewing data on plutonium levels monitored or estimated in the 
environment, it should also be noted that the amount of chemical identified analytically is not necessarily 
equivalent to the amount that is bioavailable.  The analytical methods available for monitoring plutonium 
in a variety of environmental media are detailed in Chapter 7. 
Monitoring studies typically report combined 
239,240
Pu concentrations because 
239
Pu and 
240
Pu are not 
readily distinguishable by alpha spectroscopy (Eisenbud and Gesell 1997). 
6.4.1 
Air 
Atmosphere nuclear weapons testing, which ended in 1980, is the major source of plutonium 
contamination.  Since this time, essentially all fallout 
239
Pu has been removed from the atmosphere, 
allowing for measurement of baseline measurement of plutonium in air. 
Air concentrations of 
239
Pu at the Pacific Northwest National Laboratory near Richland, Washington 
averaged 1.3x10
-7 
Bq/m
3
 (3.5x10
-6 
pCi/m
3
).  During 2004, a network of 85 continuously operating air 
samplers were used to monitor radioactive material in air near the Hanford Site (DOE 2005c).  In 2004, 
238
Pu was detected in 4 of 40 site-wide composite air samples, with average and maximum concentrations 
of 5x10
-7
 and 1.3x10
-5 
pCi/m
3
 (2x10
-8
 and 4.8x10
-7 
Bq/m
3
), respectively.  From 1999 to 2003, 
238
Pu was 
detected in 10 site-wide air samples, with a maximum concentration of 5.3x10
-6 
pCi/m
3
 (2.0x10
-7 
Bq/m
3
).  
Only 7 of the 40 site-wide air samples had detectable amounts of 
239,240
Pu in 2004 with an average 
concentration of 1.5x10
-6 
pCi/m
3
 (5.6x10
-8 
Bq/m
3
).  One of the 28 perimeter samples had a detectable 
amount of 
239,240
Pu at a concentration of 2.5x10
-6 
pCi/m
3
 (9.3x10
-8 
Bq/m
3
).  In 2004, none of the nearby or 
distant communities site air samples contained detectable amounts of 
238
Pu or 
239,240
Pu.  From 1999 to 
2003, 
238
Pu was found in one air sample each from perimeter site and nearby communities sites; 
239,240
Pu 
was detected in seven, four, and one of the perimeter, nearby, and distant communities air samples, 
respectively (DOE 2005c). 
Concentrations measured at the Argonne National Laboratory-East near Chicago, Illinois ranged from 
6x10
-8
 to 1.4x10
-7 
Bq/m
3
 (1.6x10
-6
–3.8x10
-6 
pCi/m
3
) (DOE 1999a).  
239,240
Pu concentrations in airborne particulate matter collected during 2005 from five locations at the site 
boundary of the Rocky Flats Environmental Technology Site (RFETS), Colorado, a former nuclear 

---